ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ Trong bối cảnh này, đồ án này nhằm mục đích tìm hiểu và thảo luận về quá trình thiết kế và ứng dụng các mạch OPAMP trong lĩnh vực y sinh. Thông qua việc nghiên cứu sâu rộng về nguyên lý hoạt động của OPAMP, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng thực tế của chúng trong y học, chúng ta sẽ khám phá cách mà công nghệ này đóng góp vào việc nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và cải thiện cuộc sống của con người.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ ĐỀ TÀI:THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CMOS Thái Nguyên – 2024 KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP TƯƠNG TỰ Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Phương Huy Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Duy MSSV: K205520207074 Sinh viên thực hiện: Orn Chheangmai MSSV: CPC205008 Lớp: K56KĐT.01 Lớp: 54KTDT Ngành : Kỹ thuật điện tử Ngày giao đề : 14/2/2024 Ngày hoàn thành: 8/03/2024 1 Tên đề tài Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại hai tầng nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định cho các ứng dụng y sinh 2 Yêu cầu của các bước thực hiện - Nghiên cứu, tìm hiểu về mạch tích hợp tương tự -Vai trò của mạch tương tự trong thực tế - Nghiên cứu các mạch khuếch đại, các đặc tính, cấu trúc, và lý do lựa chọn mạch này - Mô tả bài toán thiết kế, chỉ tiêu thiết kế và lựa chọn cấu trúc phù hợp - Nghiên cứu, tính toán, mô phỏng và so sánh các tiêu chí này với kết quả đề ra TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Phương Huy NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2024 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2024 GIÁO VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .v LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1 1.1 Khái quát chung về khuếch đại thuật toán .1 1.2 Các chỉ tiêu thiết kế .2 1.3 Mạch khuếch đại đơn tầng 4 1.4 Mạch khuếch đại đa tầng .9 1.5 Bù trong OPAMP 11 1.6 Bù kiểu Muller của OPAMP hai tầng 12 1.7 Bù kiểu truyền thẳng 22 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ OPAMP 2 TẦNG 25 2.1 Cấu trúc chung của OPAMP hai tầng 25 2.1.1 Tầng chuyển đổi vi sai- Transconductance Stage 26 2.1.2 Tầng bù/phản hồi- Circuitry 27 2.1.3 Tầng khuếch đại- High-Gain Stage 28 2.1.4 Tầng phân cực-Bias .29 2.1.5 Tầng đệm đầu ra-Output Buffer 31 2.2 Thiết kế cấu trúc mạch 32 2.3 Lựa chọn linh kiện, tham số thiết kế 33 CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 35 3.1 Tính toán và lựa chọn thông số 35 3.2 Mô phỏng thiết kế .38 3.2.1 Phân tích AC 39 3.2.2 Đo Transient 42 3.2.3 Trình bày hình vẽ các kết quả thu được từ Layout .44 1 3.2.4 Thiết kế bộ khuếch đại hoạt động cho các ứng dụng y sinh 46 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 1 Sơ đồ khối của một op-amp thực tế 1 Hình 1.3 1-1 Sơ đồ chung cho mạch khuếch đại đơn tầng 5 Hình 1.3 1-2 Sơ đồ tương đương hình Pi và hình T 5 Hình 1.3 1-3 Các đặc trưng cơ bản của bộ khuếch đại đơn tầng dùng MOS 6 Hình 1.7 1-1 (a) Feedforward dẫn đến RHP bằng zero (b) Feedforward dẫn đến LHP bằng zero (c) Mô hình tín hiệu nhỏ cho (b) 23 Hình 2.1.1 1 Tầng chuyển đổi vi sai 26 Hình 2.1.2 1(a) Một mạch opamp không đảo (b) Sơ đồ tương đương của mạch (a) 27 Hình 2.1.3 1 khối High-Gain 28 Hình 2.1.4 1 Một số kiểu phân cực 30 Hình 2.1.5 1 Tầng đệm đầu ra 31 Hình 2.1.5 2 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ của bộ đệm đầu ra 32 Hình 2.2 1 Cấu trúc mạch được đề xuất 32 Hình 3.1 1 Mạch khuếch đại 35 2 Hình 3.2 1 Sơ đồ triển khai của opamp hai tầng 39 Hình 3.2.2 1Đường cong phân tích transient cho công nghệ 180nm 42 Hình 3.2.2 2 Đường cong phân tích transient cho công nghệ 90nm 43 HÌnh 3.2.3 1Đồ thị mức tăng hệ số khuếch đại trong công nghệ 180nm và 90 nm trước và sau khi vẽ layout 44 HÌnh 3.2.3 2Biểu đồ băng thông khuếch đại trong công nghệ 180nm và 90 nm trước và sau khi layout 45 HÌnh 3.2.3 3Đồ thị biểu diễn độ dự trữ pha trong công nghệ 180nm và 90 nm trước và sau khi layout 45 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật được lấy cho quy trình thiết kế 34 Bảng 3.1 Tỷ lệ khung hình được lấy cho các trans 39 Bảng 3.2 Giá trị thông số đạt được khi phân tích AC 41 Bảng 3.3.Các giá trị tham số đạt được khi chia tỷ lệ trong quá trình phân tích AC 42 Bảng 3.4.Giá trị thông số đạt được khi phân tích transient 43 Bảng 3.5.Các giá trị tham số đạt được khi chia tỷ lệ trong quá trình phân tích transisent 44 Bảng 3.6.Giá trị thông số đạt được ở công nghệ 180nm và 90nm 46 Bảng 3.7.Các đặc điểm khác nhau của Tín hiệu Tiềm năng Sinh học 47 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ hoặc cụm Từ tiếng Anh Từ tiếng Việt từ 3 OPAMP Operational Amplifier Khuếch đại thuật toán CMOS Complementary Metal-Oxide- Semiconductor Chất bán dẫn oxit kim loại bổ PM Phase margin sung ECG Electrocardiogram IC Integrated Circuit Độ dự trữ pha GB Gain Bandwith Đo nhịp tim EMG electromyography Mạch tích hợp Tích của hệ số khuếch đại với băng thông Đo sóng não 4 LỜI MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 21, sự tiến bộ của công nghệ đã mở ra một loạt các cơ hội mới trong lĩnh vực y học và chăm sóc sức khỏe Công nghệ điện tử và vi mạch tích hợp tương tự (IC) đã đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc tạo ra các thiết bị y tế thông minh, cải thiện chẩn đoán, điều trị và giám sát bệnh tình Trong tác động tích cực này, việc thiết kế và ứng dụng các mạch Ampli tần số cao (OPAMP) đã trở thành một phần không thể thiếu trong nền y học hiện đại Mạch OPAMP, với khả năng khuếch đại tín hiệu và cung cấp độ chính xác cao, đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng y sinh khác nhau Từ cảm biến sinh học đến thiết bị y tế di động, từ các hệ thống giám sát sức khỏe đến các thiết bị hỗ trợ điều trị, OPAMP đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp sự ổn định, độ nhạy và độ tin cậy cần thiết cho các hệ thống y tế Làm việc trong lĩnh vực này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cả y học và công nghệ điện tử Việc tối ưu hóa thiết kế OPAMP cho các ứng dụng y sinh đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về các yếu tố như tiêu thụ năng lượng, ổn định, độ phản hồi, và khả năng chống nhiễu Ngoài ra, việc đảm bảo tính an toàn và tuân thủ các tiêu chuẩn y tế cũng là một phần không thể thiếu trong quá trình phát triển và triển khai các thiết bị y tế Trong bối cảnh này, đồ án này nhằm mục đích tìm hiểu và thảo luận về quá trình thiết kế và ứng dụng các mạch OPAMP trong lĩnh vực y sinh Thông qua việc nghiên cứu sâu rộng về nguyên lý hoạt động của OPAMP, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng thực tế của chúng trong y học, chúng ta sẽ khám phá cách mà công nghệ này đóng góp vào việc nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và cải thiện cuộc sống của con người Bằng cách khám phá sâu hơn vào những ứng dụng cụ thể của OPAMP trong y học, chúng ta sẽ có cái nhìn rõ ràng hơn về tiềm năng của công nghệ này trong việc thúc đẩy sự tiến bộ y tế và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đồ án này cũng 1 nhằm mục đích là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư điện tử, nhà nghiên cứu y học, và những người quan tâm đến sự giao thoa giữa công nghệ và y học Dự kiến kết quả của dự án này sẽ là một mạch khuếch đại hiệu suất cao, có thể tích hợp vào các thiết bị y tế hiện đại, giúp nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và mang lại lợi ích đáng kể cho cộng đồng y tế 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1.1 Khái quát chung về khuếch đại thuật toán Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại “DC-coupled” (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định hệ số khuếch đại, trở kháng vào và trở kháng ra Hầu như trong tất cả các thiết kế mạch điện tử, bộ khuếch đại hoạt động như một khối xây dựng mạch quan trọng OPAMP là mạch khuếch đại vi sai đầu vào sử dụng phản hồi bên ngoài để xây dựng các mạch thực tế như bộ so sánh, bộ đệm, bộ dao động, bộ lọc, bộ khuếch đại thiết bị đo đạc, v.v Cấu trúc của một khuếch đại thuật toán thường bao gồm các khối sau: Hình 1 1 Sơ đồ khối của một op-amp thực tế ● Differential input amplifier: Đây là tầng khuếch đại vi sai, nó có nhiệm vụ khuếch đại sự sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào va và vb Nó hội tục các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: Độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn… 1